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越來越多的業(yè)務和個人信息都存儲在“云”中，當今時代，確?？焖?、可靠地訪問這些信息比以往任何時候都更為重要。電話服務供應商有強大的經(jīng)濟動力，可提供與那些只通過有線公司開展的業(yè)務競爭的服務包。換句話說，他們希望同步、無縫地向用戶傳遞語音、數(shù)據(jù)、視頻和互聯(lián)網(wǎng)連接。

光纖網(wǎng)絡已經(jīng)逐步為各地的社區(qū)帶來高速連接，但對于電信供應商來說，他們需要使用其現(xiàn)有的銅線。如此一來，G.FAST技術應運而生，由于電信供應商分階段進行光纖部署，該技術可以彌補這方面的不足，使客戶獲得類似光纖的接入速度。由于在經(jīng)濟上擴大寬帶覆蓋的巨大潛力，一些行業(yè)專家預測G.FAST芯片全球市場將增至29億美元。

通過如下方式，G.FAST使高效高速連接成為可能：電信公司將光纖安裝到遠程終端(又稱光纖到節(jié)點，或FTTN)，然后利用已到位的銅線基礎設施在距離用戶端“最后一英里”的區(qū)域設立分支(圖1)。

G.FAST技術采用寬頻帶寬(高達106MHz，有潛力達到212MHz)向用戶提供話音/數(shù)據(jù)/視頻/互聯(lián)網(wǎng)。多點FTTN可使電信公司以更經(jīng)濟高效的方式向客戶提供高速數(shù)據(jù)。沒有必要為每個新用戶“上門服務”，用戶可以在幾分鐘內(nèi)自行安裝新的G.FAST調(diào)制解調(diào)器，并將其插入到自己的系統(tǒng)中。

圖1：FTTdp接入網(wǎng)。

G.fast技術與FTTdp(光纖到配電點)、多端口FTTdp、FTTC(光纖到路邊)和FTTH(光纖到戶)互補，提供了不限制現(xiàn)有光纖帶寬的優(yōu)勢(幾乎和以前的XDSL技術一樣)。例如，盡管VDSL2最高速度為100Mbps，但達到該速度需要用綁定(即使用兩對雙絞線)和矢量化來消除串擾。

同樣，ADSL2+的最高速度為10Mbps，ADSL2的最高速度為5Mbps，ADSL的速度限值為1Mbps。相比之下，G.fast在100m單根雙絞線(24AWG/0.5mm)電纜上的目標數(shù)據(jù)速率為1Gbps；對該技術的持續(xù)改進可提供更快的數(shù)據(jù)速度，拓寬其應用前景(圖2)。G.fast芯片組技術的先驅(qū)Sckipio進行的研究也表明，在速度高達數(shù)百Mbps的情況下，距離可達500m。

圖2：FTTdp G.fast架構。

G.fast電路保護所面臨的挑戰(zhàn)

對于G.fast等高帶寬線路，放置在線路上的任何電路保護元件的電容都可能會降低信號強度，從而降低其速率和覆蓋范圍。但是節(jié)點中的G.fast調(diào)制解調(diào)器和電路必須受到保護，防止雷電引起的浪涌造成損壞。盡管用戶端設備(CPE)設計人員可采取三種基本的電路保護方案——氣體放電管(GDT)、瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管陣列和保護型晶閘管，但無論他們選擇何種方案，都必須使其設計至少能符合TIA-968B(以前稱為FCC第68部分)的浪涌要求。在美國，任何連接到公共交換電話網(wǎng)絡(PSTN)的通信設備均需具備此性能。其他國家也有類似要求，如表1所示。一些G.fast供應商可能會傾向于在美國市場采用符合GR-1089-Core的安全設計。

GDT、TVS二極管陣列和保護型晶閘管在G.fast電路保護方面各有優(yōu)缺點：

? GDT的優(yōu)點包括浪涌電流額定值高達20kA，電容額定值低至1pF，0V偏壓。由于其浪涌額定值很高，這種器件通常用于一次保護，但是由于其對高頻元件的干擾很低，因此有時也將其用于高速數(shù)據(jù)鏈路。但是，對于G.fast應用來說它們也有一些缺點，包括初始電壓閾值過高(這意味著在遇到超過系統(tǒng)正常工作電壓的浪涌時，其可能無法在足夠低的閾值下激活以保護電路)，安裝于黑暗環(huán)境中時GDT性能特征可能會發(fā)生變化，占用空間相對較大，電源故障期間會產(chǎn)生熱積累。

? TVS二極管陣列是可提供低電壓閾值導通值的鉗位型器件。然而，由于其鉗位特性，它們會耗散更高的功率，因此必須加大尺寸，以實現(xiàn)類似于晶閘管撬棍(crowbar)器件的浪涌額定值。這種尺寸較大的硅封裝可產(chǎn)生可能與高帶寬信號不兼容的較高斷態(tài)電容值。

? 保護型晶閘管是一種PNPN器件，可以被認為是沒有門極的晶閘管。當它超過峰值斷態(tài)電壓(VDRM)時，它會將瞬態(tài)電壓鉗位在器件的開關電壓(VS)額定值內(nèi)。然后，一旦流經(jīng)它的電流超過其開關電流，它就會快速切斷電源而模擬短路狀況。而流經(jīng)它的電流小于其載流(IH)時，它將復位并恢復到其高斷態(tài)阻抗。該應用的下一代保護型晶閘管優(yōu)點包括響應時間快速、電氣特性穩(wěn)定、長期可靠性和電容較低。而且由于它們是crowbar器件，不會因電壓造成損壞。

在美國，電信公司在其網(wǎng)絡側安裝的設備(例如在附近裝有光網(wǎng)絡終端設備(ONT)的機柜中)，其電路保護必須符合NEBS(網(wǎng)絡設備構建系統(tǒng))設計指南，這反過來可能需要符合GR-1089第6期端口類型3浪涌。由于這些回路很短，端口類型可被指定為類型3a/5a。每個供應商應界定其自身的防雷電要求。端口類型3是這類設備中的最嚴重情況。

最新一代保護型晶閘管旨在保護電信設備在功能上符合GR-1089的高浪涌電平要求，只要它正確位于變壓器和DSL驅(qū)動器之間的電路中即可(圖3)。變壓器衰減浪涌。如果元件與接入點(通常是RJ11連接器)之間存在足夠的阻抗(例如在這些類型應用中實現(xiàn)的高通濾波器)，則該元件也可以放置在變壓器的線路側。

圖3：G.fast信號的幅度遠遠低于現(xiàn)有xDSL服務的幅度，因此保護型晶閘管兩端的電壓變化也非常小。由此導致的電容變化幾乎察覺不到。如果器件處于第三級位置(如上圖所示)，速率和范圍測試顯示損耗小于0.2dB，可以接受。

對于G.fast設計人員而言最新一代保護型晶閘管的優(yōu)點

開發(fā)G.fast硬件的電路設計人員而言，最新一代的保護型晶閘管具備諸多優(yōu)點：

? 將其正確貼裝到印刷電路板(PCB)布局中時，它可為安裝在用戶端的G.fast調(diào)制解調(diào)器和位于光網(wǎng)絡終端(ONT)設備中的G.fast驅(qū)動器提供雷電浪涌保護，此時光纖將被終止并且信號被轉換為模擬信號(參見圖3中的線驅(qū)動器參考設計)。欲了解有關此參考設計的更多信息，請參閱《G.fast Line Driver Tertiary Overvoltage Protection Application Brief(G.fast線路驅(qū)動器三次過壓保護應用簡介)》。

? 還可用于保護各種電信設備對GR-1089的高浪涌電平要求，最新一代保護型晶閘管可防止信號衰減。這種能力是初始低斷態(tài)電容(最大值僅為2.0pF)和電容過壓波動極小所帶來的，因此可以避免干擾穩(wěn)態(tài)信號(電容變化對DSL信號進行解調(diào))?？傊?，極低的電容和極低的電容變化為G.fast服務提供了最大的速率和覆蓋范圍。

? 借助各種截止電壓，它可與G.fast功率譜密度(PSD)限值兼容，它還可用于與VDSL2向后兼容的G.fast芯片組。在這些情況下，許多線驅(qū)動器將增加其輸出電壓范圍，以便在它們“回落”到VDSL2模式的情況下符合VDSL2 PSD限值。這種新設計提供的較高截止電壓與VDSL2典型的較高穩(wěn)態(tài)電壓兼容。由于SOT-23-6封裝提供了流通式設計，可簡化電路板布局設計工藝，因此PCB信號衰減更低。當PCB設計師對電路板進行布局時，該器件可使設計人員在設計時保持PCB走線平行，并且不需要短截線連接——兩種情況均可能導致線路上的阻抗失配。

? 高浪涌額定值(最小30A)可在雷擊引起的浪涌突降或穿過正極線和負極線對時，為G.fast調(diào)制解調(diào)器提供良好保護。撬棍型器件看起來就像是一個可以將浪涌電流從G.fast線路驅(qū)動器中分流出去的短路，從而防止線路驅(qū)動器損壞。一旦浪涌事件完畢，晶閘管自動復位，調(diào)制解調(diào)器繼續(xù)運行。15至16A的浪涌額定值通常無法提供充分保護，并且對于經(jīng)受更嚴重暴露的G.fast應用來說保護能力是不夠的(包括GR-1089第6期建筑物間要求和ITU K20/21/45補充外部線路建議)。

總結

與現(xiàn)有的GDT和TVS二極管陣列的優(yōu)缺點相比，最新一代保護型晶閘管與G.fast技術相結合，可以提供最先進的屏蔽電路保護，對電信公司及其商業(yè)和住宅客戶來說，均可更快速、更輕松、更方便地訪問云服務。

《EDN電子技術設計》2018年7月刊版權所有，謝絕轉載。

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